卓越计划下的“运动控制系统”课程建设探索与实践

【摘要】本文依据卓越工程师培养计划要求，结合“运动控制系统”课程特点，从课堂教学、课外自学、实验等环节进行了探讨，在教学内容选择和实验安排以及教师培养等方面开展课程建设，实现提高学生工程实践能力的教学目标。

【关键词】卓越计划；运动控制系统；课程建设

“卓越工程师”教育培养计划是2010年教育部启动的工科专业人才培养计划，期望培养和造就一大批能够适应和支撑产业发展、具有创新能力和国际竞争力的卓越工程师[1]。南京航空航天大学自动化学院自动化本科专业成为教育部第二批试点专业，并针对“卓越工程师”培养要求制定了新的教学计划，开启了相关课程改革的探索。

“运动控制系统”课程是自动化专业的重要专业课，该课程内容涉及到电力电子、电机拖动、自动控制原理等内容[2]。课程知识点繁多，与工程实际联系紧密，教学有一定的难度。为实现“卓越计划”的工程素质培养目标，需要在课堂、课外、实验三方面同时开展课程建设，才能较好的完成教学任务，培养出较高工程素质的人才。

1 基于CDIO工程能力培养模式的课堂建设

CDIO模式是美国麻省理工学院等高校2001年在研究从产品研发到产品运行的全寿命周期理论的基础上，提出的一种现代工程培养理念，分别表示构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运作（Operate）[4]。参考CDIO培养模式，我们在“运动控制系统”教学实践中将学生的能力培养目标进行划分，将教学过程分成各有侧重，又相互支撑的环节，将构思与设计作为课堂的教育重点，以培养基础知识和个人能力。将实现和运作作为实验教学的重点，提升人际团队能力和工程系统能力。在每个环节中运用多种教学方式使学生在多个层面的综合能力都得以提升。教学是培养学生基本工程能力，特别是构思和设计能力的重要环节。在“运动控制系统”教学实践中通过取舍教学内容、安排合适的教学顺序，达到学生掌握基础知识和提升个人能力的目的。

1.1 课程教学内容选择

课程教学计划修订除了根据工程能力培养需要增加学时长度，还需充分考虑教学内容内在完整性、系统性和实用性，并兼顾基础理论和实际能力的均衡培养，使学生以后不论是进一步深造，还是走向工作岗位，都能够有较好的基础。“运动控制系统”课程教学内容一般包括概论、直流、交流、随动四大部分。在实际教学中，本着扩展概论，重点直流，涉及交流的教学思路，分配主要学时在直流调速部分，补充以电力电子变流技术。以目前应用广泛、较易实现的PWM调速方式为主，详细讲授数字式直流调速系统的原理和实现。并引入工业产品和工程实施方案的实例，进行案例教学。课程选取的内容覆盖普通控制系统工程实现的各基础环节，构成完整的知识体系，使学生在企业实习和毕业设计阶段中能够学以致用。

1.2 面向构思和设计能力培养的教学顺序

工程“构思”能力是基于系统级的整体认识。在“概论”环节中，结合前修课程如“自动控制原理”的内容，培养学生对控制系统结构以及知识架构的整体认识[3]。而“设计”能力是一种创新能力，表现在实践中能够对运动系统结构和参数做出合理选择和有效调整。所以在各章节基础知识的课堂教学设计中，引导学生分辨系统中各部件的特点及不同形式的优缺点，训练他们对不同方案进行合理判断。在教学顺序的安排上将整个教学内容能够比较清晰的分成几个教学模块，如直流变流模块的教学中调整教材顺序，在补充讲述整流电路后，将直流斩波器和PWM变换一起阐述。使得该教学模块包括整个直流变换器的设计知识。同时，引导学生们思考自己当前已经会了什么、但还缺什么，以疑问和需求促动学生进行下一模块的学习。

2 课外工程技能综合锻炼

课堂上主要掌握与控制原理相关的理论知识，而更多的工程能力则需要在课堂外的多个环节中通过反复锻炼才能得到提升。其中，在自学环节中，教师利用网络、作业、仿真等多种方式锻炼学生分析不同需求，灵活应用所学知识的能力。

为了方便学生们自学，教师充分利用网络工具的全时段远距离的便利特性，开设课程教学网站供学生们在课外开展交互式学习。并将PPT课件转换成flash格式供学生下载，同时在网上链接多种行业资料，如行业动态、国际行业标准，甚至工程师招聘要求等，依靠多种新鲜资料扩展学生的知识面。

作业是强化和检查学生课堂上所获构思、设计能力的重要方法。作业应形式多样且注重实际，除进行基本计算以熟悉公式外，还有进行资料分析，描述和设计资料的电路原理图和系统结构图，以及用Matlab编程进行仿真验证和结果分析，思考系统的工作特性。

3 演示实验与实训结合

在早期实验教学中，由于实验设备少，只能开展演示实验。实验室条件改善后逐步开展实训项目。而此时仍可以继续发挥演示实验的优点，使其与实训项目结合，从不同角度有效培养学生的工程系统能力。

演示实验的目的不仅仅是做给学生看而已，重要的是将分析问题、解决问题的能力，通过教师的演示传授给学生。所以在实验中教师不是简单的完成规定实验动作就行了，教师需要结合本章教学的重点和难点选定演示实验内容和实验步骤，并在操作中边演示、边提问、边讲解，进行知识点的总结。通过在演示过程中展开的师生互动，引导学生思考教师每一步操作的目的，使他们理解实际系统的运作特点，注意到工程能力的要求及自己的差距。

根据本专业的要求，安排以实现PWM调速系统为主的实训操作实验，并对比分析仿真实验和实际系统的结果差异。实验中将学生分成小组共同商议和运作系统，每组安排一位组长进行团队内的协调，锻炼同学们的动手能力和人际团队能力。

此外，实验室还开展开放性实验，只规定实验时间和人数，不规定实验内容，让学生自己设定实验目标和系统结构，自主分析。为学生们从事实习实践活动以及毕业设计提供设备支持。

4 师资培养先于学生培养

各个学校都意识到优秀的教学离不开优秀的师资。获得优秀师资有两种方法：引进和培养。“引进”可以短期内快速的解决问题，但是其实质只是将培养能力从一个学校转移到另一个学校，所以一校的水平提升是以其他学校水平下降为代价，而对于社会整体水平提高没有根本的帮助。所以，各校应该以培养自有师资为提升教学的主要方式，通过建立起合理的激励机制，激发任课教师自我提升意识；并给予合理的帮扶政策，为教师提升过程中提供充分的助推。对于现代工程教育来说，教师工程实践能力的培养要先行于学生的培养，教师要将构思、设计、实现和运作的环节先走通一遍，才可能把心得体会交给学生。学校和课程组要求教师能够超越课本，走进实验室，走进企业，鼓励教师将企业的工程项目和相关课题引入到课堂中，奖励教师引领学生进行课程设计和科技创新活动。

5 总结

本文从卓越工程师培养模式出发，对“运动控制系统”课程建设从课堂、自学、实验等环节进行了探讨。课堂、自学、实验等环节虽然相互有独立性，但不是按时间分割，而是在绪论、直流、交流的每一教学阶段反复循环，并为以后毕业设计的大循环作准备，以此推进学生工程能力呈螺旋上升式提升。

【参考文献】

[1]林健.面向“卓越工程师”培养的课程体系和教学内容改革[J].高等工程教育研究，2011（5）：1-9.

[2]阮毅，陈伯时.电力拖动自动控制系统：运动控制系统[M].4版.北京：机械工业出版社，2010.

[3]陈复扬，姜斌.自动控制原理（中文版）[M].北京：国防工业出版社，2010.

[4]许勇，张季超，王可怡.基于CDIO理念的《工程结构设计原理》课程创新与实践[J].东南大学学报：哲学社会科学版，2012，14：253-255.